الضغط

الموسوعة الحرة

إشارة قبل (أعلى) وبعد ضغط قانون μ (أسفل)

في مجال الاتصالات ومعالجة الإشارات ، يُعدّ الضغط والتمديد (أو التوسيع ) أسلوبًا للتخفيف من الآثار السلبية لقناة ذات نطاق ديناميكي محدود . والاسم مُشتق من كلمتي "الضغط" و"التوسيع"، وهما وظيفتا جهاز الضغط والتمديد في طرفي الإرسال والاستقبال على التوالي. يُتيح استخدام الضغط والتمديد إمكانية إرسال إشارات ذات نطاق ديناميكي واسع عبر مرافق ذات نطاق ديناميكي محدود. ويُستخدم الضغط والتمديد في الاتصالات الهاتفية وتطبيقات صوتية أخرى، مثل الميكروفونات اللاسلكية الاحترافية والتسجيل التناظري .

كيف يعمل؟

يتم ضغط النطاق الديناميكي للإشارة قبل إرسالها، ثم يُعاد توسيعه إلى قيمته الأصلية عند جهاز الاستقبال. تُسمى الدائرة الإلكترونية التي تقوم بذلك "مُوسِّع النطاق الديناميكي"، وتعمل عن طريق ضغط أو توسيع النطاق الديناميكي لإشارة إلكترونية تناظرية، مثل الصوت المُسجَّل بواسطة ميكروفون. أحد أنواع هذه الدوائر هو ثلاثية من المُضخِّمات: مُضخِّم لوغاريتمي ، يليه مُضخِّم خطي ذو كسب متغير، وينتهي بمُضخِّم أُسِّي. تتميز هذه الثلاثية بأن جهد خرجها يتناسب طرديًا مع جهد دخلها مرفوعًا إلى أس قابل للتعديل .

التكميم المضغوط هو دمج ثلاث وحدات وظيفية أساسية، وهي: ضاغط النطاق الديناميكي للإشارة (في المجال المستمر) ، ومكمّم موحد ذو نطاق محدود، وموسع النطاق الديناميكي للإشارة (في المجال المستمر) الذي يعكس وظيفة الضاغط. يُستخدم هذا النوع من التكميم بكثرة في أنظمة الاتصالات الهاتفية. [ 1 ] [ 2 ]

في الواقع، تُصمَّم أجهزة الضغط والتوسيع للعمل وفقًا لوظائف ضغط النطاق الديناميكي البسيطة نسبيًا، والتي تُناسب تنفيذها كدوائر إلكترونية تناظرية بسيطة. وأكثر وظائف الضغط والتوسيع شيوعًا في مجال الاتصالات هما وظيفتا قانون A وقانون μ .

التطبيقات

تُستخدم تقنية الضغط والتوسيع في أنظمة الاتصالات الهاتفية الرقمية، حيث يتم ضغط الإشارة قبل إدخالها إلى محول تناظري-رقمي ، ثم توسيعها بعد تحويلها إلى محول رقمي-تناظري . وهذا يُعادل استخدام محول تناظري-رقمي غير خطي كما في نظام الهاتف T-carrier الذي يُطبّق تقنية الضغط والتوسيع A-law أو μ-law . تُستخدم هذه الطريقة أيضًا في تنسيقات الملفات الرقمية لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) عند أعماق بت منخفضة. على سبيل المثال، يمكن تحويل إشارة PCM ذات 16 بت مشفرة خطيًا إلى ملف WAV أو AU ذي 8 بت مع الحفاظ على نسبة إشارة إلى ضوضاء جيدة، وذلك عن طريق الضغط قبل التحويل إلى 8 بت والتوسيع بعد التحويل مرة أخرى إلى 16 بت. وهذا في الواقع شكل من أشكال ضغط بيانات الصوت مع فقدان البيانات .

تستخدم الميكروفونات اللاسلكية الاحترافية هذه التقنية لأن النطاق الديناميكي لإشارة الصوت الخاصة بالميكروفون نفسه أكبر من النطاق الديناميكي الذي توفره الإرسالات اللاسلكية. كما أن عملية الضغط والتمديد تقلل من مستويات الضوضاء والتشويش عند جهاز الاستقبال. [ 3 ]

تُستخدم أجهزة الضغط والتوسيع في أنظمة الصوت الخاصة بالحفلات الموسيقية وفي بعض مخططات الحد من الضوضاء .

تاريخ

تم تسجيل براءة اختراع استخدام تقنية الضغط والتمديد في نظام نقل الصور التناظري بواسطة AB Clark من AT&T في عام 1928 (تم تقديم الطلب في عام 1925): [ 4 ]

في نقل الصور بواسطة التيارات الكهربائية، تتمثل الطريقة في إرسال تيارات متغيرة بعلاقة غير خطية مع قيم الضوء للعناصر المتتالية للصورة المراد نقلها، وفي الطرف المستقبل يتم تعريض العناصر المقابلة لسطح حساس للضوء المتغير بعلاقة عكسية غير خطية مع التيار المستلم.

براءة اختراع AB Clark

في عام 1942، أكمل كلارك وفريقه نظام نقل الصوت الآمن SIGSALY الذي تضمن أول استخدام لتقنية الضغط والتمديد في نظام PCM (رقمي). [ 5 ]

في عام 1953، أظهر ب. سميث أنه يمكن استكمال محول رقمي تناظري غير خطي باللاخطية العكسية في تكوين محول تناظري رقمي ذي تقريب متتالي ، مما يبسط تصميم أنظمة الضغط الرقمي. [ 6 ]

في عام 1970، قام هـ. كانيكو بتطوير الوصف الموحد لقوانين ضغط وتوسيع القطاعات (الخطية القطعية) التي تم اعتمادها آنذاك في الاتصالات الهاتفية الرقمية. [ 7 ]

في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي، استخدمت العديد من شركات تصنيع المعدات الموسيقية ( رولاند ، ياماها ، كورغ ) تقنية الضغط والتمديد (Companding) لضغط بيانات الموجات الصوتية في أجهزة المزج الرقمية الخاصة بها . مع ذلك، لا تزال الخوارزميات الدقيقة غير معروفة، كما لم يُعرف ما إذا كانت أي من هذه الشركات قد استخدمت تقنية الضغط والتمديد الموصوفة في هذه المقالة. المعلومة الوحيدة المؤكدة هي أن الشركات استخدمت ضغط البيانات [ 8 ] خلال تلك الفترة، وأن البعض يشير إليها بمصطلح الضغط والتمديد ، بينما قد يعني في الواقع شيئًا آخر، مثل ضغط البيانات وتوسيعها [ 9 ] . يعود هذا إلى أواخر الثمانينيات عندما كانت رقائق الذاكرة من أغلى مكونات الآلات الموسيقية. عادةً ما كانت الشركات تُعلن عن سعة الذاكرة في شكلها المضغوط: على سبيل المثال، 24 ميجابايت من ذاكرة القراءة فقط (ROM) للموجات الصوتية في جهاز كورغ ترينيتي تُصبح في الواقع 48 ميجابايت عند عدم ضغطها. وبالمثل، كانت لوحات التوسعة من طراز Roland SR-JV تُسوَّق عادةً على أنها لوحات بسعة 8 ميجابايت مع محتوى يعادل 16 ميجابايت. وقد يؤدي نسخ هذه المعلومات التقنية دون دقة، مع إغفال الإشارة إلى التكافؤ ، إلى حدوث لبس في كثير من الأحيان.

مراجع

  1. ↑ WR Bennett، " أطياف الإشارات الكمية "، مجلة بيل سيستم التقنية ، المجلد 27، الصفحات 446-472، يوليو 1948.
  2. ↑ روبرت م. غراي وديفيد ل. نيوهوف، "التكميم"، معاملات IEEE في نظرية المعلومات ، المجلد IT-44، العدد 6، الصفحات 2325-2383، أكتوبر 1998. doi : 10.1109/18.720541
  3. ↑ وصف لعملية الضغط والتمديد في الميكروفونات اللاسلكية
  4. ↑ براءة اختراع أمريكية ، باسم إيه بي كلارك، " نظام نقل الصور الكهربائي "، صدرت في 13 نوفمبر 1928، ومُسجلة باسم شركة إيه تي آند تي. 
  5. ↑ راندال ك. نيكولز وبانوس س. ليكاس (2002). أمن الشبكات اللاسلكية: النماذج والتهديدات والحلول . ماكجرو هيل بروفيشنال. ص 256. ISBN  0-07-138038-8. companding ab-clark pcm.
  6. ↑ ب. سميث، "الضغط الفوري للإشارات الكمية"، مجلة بيل سيستم التقنية ، المجلد 36، مايو 1957، ص 653-709.
  7. ↑ H. Kaneko, "A Unified Formulation of Segment Companding Laws and Synthesis of Codecs and Digital Compandors,” Bell System Technical Journal , Vol. 49, September 1970, pp. 1555–1558.
  8. ↑ "Gearspace - عرض منشور واحد - لماذا يبدو صوت جهاز أخذ العينات الخاص بي أفضل من صوت برنامج أخذ العينات الخاص بي؟! نفس العينات!" gearspace.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أكتوبر 2024 .
  9. ↑ "Gearspace - عرض منشور واحد - إضافة Roland JV-1080 vst" . gearspace.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أكتوبر 2024 .